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分布光纤测试 打造“最强大脑”


时间:2019-04-24 17:28

  “利用我们41研究所研发的分布式光纤应变测试仪器,就如同打造了一个拥有异能的‘超强大脑’,可实时监测山体滑坡、地面沉降等地质灾害以及大型建筑设施工程的健康状态,实现智能感知、准确预警,做到防患于未然。 ”中国电科41研究所研究员级高级工程师闫继送作为团队核心成员,提及亲自参与的这项创新成果,言语里满是自豪。近日,在全省科学技术奖励大会上,由该所自主完成的“分布式光纤应变测试技术及应用“项目,获得2018年度安徽省科技进步一等奖。

  说到分布式光纤应变测试技术,不得不提到光纤传感。光纤传感是20世纪70年代随着光纤通信的发展而迅速发展起来的新型传感技术,其以光波为信息载体,不受雷电等电磁干扰、可靠性好、寿命长、本质安全,特别适合在易燃易爆、高温、高压、潮湿、强电磁场、强腐蚀性等恶劣条件下应用。

  鉴于光纤传感应用的广泛性及其广阔的市场前景,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视,各发达国家更是竞相研究开发。然而,由于该产品技术难度大、系统内部组成复杂,最初只有少数发达国家能够研制,且价格非常昂贵,相关测试技术与国内市场之前一直被国外垄断。

  2006年,依托国家项目的支持,中国电科41研究所组建研发团队,研究分布式光纤应变测试技术及产品开发。历经十多年的科研攻关,项目组突破了微弱信号测试、布里渊谱构建、拟合与分析、光纤应变校准等多项关键技术,成功研制了具有自主知识产权的系列化商用产品,打破了国外技术壁垒,实现了分布式光纤传感技术高端测试仪器的国产化。分布式光纤应变测试技术作为一种新型无损感测技术,与传统点式或电参量感测技术相比,具有分布式、长距离、长寿命、抗电磁干扰等突出优势。测试仪器可以通过传感光纤检测出外界的温度、美女空姐。压力及形变等信息。将传感光纤预置在山体或各类大型建筑物体内,就好比给山体或建筑物装上敏感强健的“感知神经”,只要测试出传感光纤所受应变分布的变化,可及时感知山体或建筑物等深部的形变异动并发出预警。可以说,如果把光纤比作“感知神经”,那么分布式光纤应变测试仪器就像它们的“超强大脑”。

  “科研成果的取得并非一蹴而就,我们在研发过程中突破了光纤应变产生与可溯源标定及产品工程化等多项关键技术。”项目组相关技术人员告诉记者,该技术在应变测试精度、应变测试重复性及测试速度等方面明显优于国外同类产品。

  比如,项目首次提出了一种基于布里渊本征谱抑制的空间分辨率提升方法。理论上,光纤中的光学声子寿命只有约10纳秒,对应的空间分辨率理论上只有1米,该项目基于布里渊散射增益谱叠加原理,通过对光纤应变区域布里渊散射增益谱的演变趋势进行分析建模,创新性提出了一种基于光纤布里渊散射本征谱识别分析与抑制并通过智能寻峰从而提高仪器空间分辨率的方法,打破了1米空间分辨率的理论极限,达到了0.5米的空间分辨率。

  “我们还提升了仪器的应变测试精度及动态范围,单端测试距离超过70千米。同时建立了镜像数据整合模型,有效地解决了针对链路损耗较大的长距离光纤链路应变分布的测试难题,应变双向测试距离范围超过110千米。 ”项目组技术人员介绍,通过一系列创新性的开发,从而实现对测试量程中光纤有效距离范围之外噪声数据的自动过滤,有效地避免了对光纤距离范围之外噪声数据的无谓分析,从而动态缩短了光纤应变分布的测试时间,平均测试速度比国外同类产品提高约2.1倍,同时也显著改善了光纤应变分布测试曲线的显示效果。该项目实施期间,中国电科41所申请发明专利20项,授权13项,获得2017年度安徽省专利优秀奖1项。 2013年,中国电科41所研制的分布式光纤应变测试仪产品正式投入批量生产,使我国成为国际上为数不多的全面掌握光纤应变分布测试技术及产品工程化的国家之一。目前,其系列化产品已广泛应用于军用、民用工程领域,取得了良好的社会经济效益。

  采访中记者了解到,分布式光纤应变测试技术应用领域十分广泛,不仅可用于光纤陀螺、光纤水听器及光纤光缆等的研制与生产检测,还可用于隧洞与煤矿巷道形变监测,轨道路基与高速公路沉降与边坡监测,堤坝、油气管道、电力电缆等健康状态监测等领域,特别是在山体滑坡与地面沉降等地质灾害监测中可发挥重要作用。

  我国地质条件复杂,地质灾害较为严重,每年发生山体滑坡、地面沉降等各类地质灾害数百起,造成重大人员伤亡及财产损失,防灾减灾工作艰巨而紧迫。2011年,国务院印发《国务院关于加强地质灾害防治工作的决定》。 国家部署了“地质灾害综合防治”“自然灾害监测预警”等重点工程。地质灾害具有规模大、影响因素复杂、隐蔽性强、跨越区域多、环境恶劣、实时性监测要求高、监测周期长等特点,给灾害的预测预警带来巨大的挑战。传统的点式或电参量监测手段无法满足地质体深部分布式、长距离、长寿命、抗雷击等要求。 “我们利用分布式光纤传感技术,只要将传感光纤植入地质体内部,犹如给地质体植入了‘感知神经’,能够全天候实时感知地质体底层深部形变,通过对形变趋势研判分析,可实现对地质灾害预测预警,及时转移财产及人群,做到防患于未然。 ”中国电科41研究所相关技术人员表示,下一步还将加大研发力度,不断丰富测试功能,拓展应用范围,进行更深入的工程应用开发,以期在未来物联网、智慧城市建设及综合治理等国民经济建设中发挥积极作用。(孙言梅)